La figure (III.4) présente le dispositif expérimental que nous avons développé pour mesurer la section efficace d’extinction de nanoparticules de faibles dimensions. La source laser est un
III.2 Spectroscopie par modulation de position Laser femtoseconde x100 NA = 0.8 Photodiodes au silicium Ordinateur Amplificateur à détection synchrone Filtres colorés Référence Signal ACTUATEUR PIEZO + PLATINE XY
Lame λ/2 séparatricelame
Densité variable
Figure III.4 –Dispositif expérimental de spectroscopie de modulation spatiale.
laser Titane : Saphir femtoseconde Chaméléon Ultra II (Coherent). La longueur d’onde d’émis- sion peut être choisie sur un domaine spectral allant de 680 nm à 1080 nm. L’utilisation d’un module de doublage et de triplage de fréquences nous permet de balayer l’ensemble des lon- gueurs d’onde allant de 227 nm à 1080 nm avec seulement un trou dans la région 540 nm - 680 nm. Cette source laser permet donc d’acquérir des spectres d’extinction de nanoparticules métalliques présentant une résonance plasmon de surface pouvant aller du proche ultra-violet (nanoparticules d’aluminium ou d’argent) au proche infra-rouge (nanoparticules d’or notam- ment). Le faisceau laser est focalisé par un objectif de microscope x100 d’ouverture numérique NA=0.8. Pour l’étude d’objets anisotropes, la polarisation du faisceau incident est contrôlée par une lame demi-onde. La position de l’échantillon est modulée à l’aide d’un actuateur piézo- électrique fixé à une platine de nano-positionnement qui permet de déplacer l’échantillon sur une aire de 50x50 µm2 avec une précision de 0.3 nm. La résonance mécanique de cette pla- tine étant située à 1.5 kHz lorsque l’actuateur et le porte-échantillon sont fixés dessus, nous avons modulé la position spatiale de l’échantillon avec l’actuateur à une fréquence de 500 Hz. La puissance lumineuse transmise par l’échantillon est alors collectée par un objectif de microscope jumeau de l’objectif de focalisation (grandissement x100 et ouverture numérique NA=0.8).
La modulation de la transmission du faisceau incident par le déplacement périodique de l’échantillon à une fréquence f est détectée par une détection différentielle synchrone. Pour la
Chapitre III. Spectroscopies optiques de nano-objets métalliques individuels : mise en Œuvre expérimentale
détection différentielle, une partie du faisceau laser est prélevée avant l’échantillon et constitue le faisceau référence dont la puissance est mesurée par une photodiode au silicium S1336-5BK (Hamamatsu) puis soustraite à la puissance transmise à travers l’échantillon mesurée par une autre photodiode jumelle de la première. Le bruit du laser affectant de la même façon les deux faisceaux (référence et signal), on en élimine une grande partie1. La détection synchrone
consiste à moduler la transmission du faisceau en déplaçant le nano-objet étudié dans le faisceau laser focalisé à une fréquence f donnée par un actuateur piézo-électrique (figure (III.3)). Le signal cherché est donc modulé à cette même fréquence et peut être mesuré en utilisant un amplificateur à détection synchrone. Celui-ci permet de mesurer la composante du signal à la fréquence de modulation f ou à la fréquence double 2f. Après normalisation, la grandeur expérimentale à laquelle nous accédons est donc la composante de fréquence f ou 2f de la variation relative de transmission ∆T /T :
∆T
T =
Ptrans− Pinc
Pinc
(III.7) Le bruit du laser étant réparti sur de nombreuses fréquences, le fort filtrage du signal permet d’éliminer le bruit situé dans d’autres domaines du spectre. Nous avons mesuré avec l’amplificateur à détection synchrone le bruit total de notre dispositif (laser et électronique) afin d’en estimer la sensibilité.
En modulant le faisceau laser avec un hacheur optique à la fréquence de 1.5 kHz2, la densité spectrale de bruit mesurée est σv=0.31 µV/
√
Hz pour une tension V=20.8 mV sans utiliser le faisceau référence. Le filtre passe-bas utilisé par l’amplificateur à détection synchrone est caractérisé par une pente de 24 dB/octave ce qui correspond, selon les spécifications, à une bande équivalente de bruit de largeur B=5/(64T) où T est le temps d’intégration (T=100 ms). Le niveau de bruit de notre dispositif défini par
∆V
V =
σvB
V (III.8)
peut donc être estimée à 1.17 10−5. Lorsqu’on effectue cette mesure avec la détection diffé- rentielle, une densité spectrale de bruit de 0.22 µV/√Hz a été trouvée, correspondant à une
1. L’équilibrage des deux photodiodes est réalisé au préalable en minimisant la différence entre les pho- todiodes signal et référence lorsque les deux faisceaux sont modulés avec un hacheur optique ayant la même fréquence que l’actuateur.
III.2 Spectroscopie par modulation de position
sensibilité de 0.83 10−5. Sur la la figure (III.2), un trait horizontal continu représente notre li- mite de sensibilité (environ 10−5) et permet d’identifier les nano-systèmes que l’on peut étudier avec notre dispositif.
Figure III.5 – Détection à λ = 500 nm d’une nano-sphère d’or de 11 nm de diamètre déposée sur un
substrat de verre. L’échelle sur la figure correspond au changement relatif de transmission exprimé en 10−4.
(a) |∆T/T| et (b) ∆T/T détectés à f sur une région de 2.5 µm · 2.5 µm.
La figure (III.5) présente un résultat obtenu à λ = 500 nm sur une zone de 2.5 µm x 2.5 µm d’un échantillon de nano-sphères d’or déposées sur un substrat de verre. L’amplitude de modulation a été fixée à 350 nm et la largeur totale à mi-hauteur du faisceau incident focalisé de longueur d’onde λ = 500 nm est voisine de 340 nm. La puissance d’excitation incidente est de 120 µW. La carte du changement relatif de transmission a été obtenue en prenant des pas de 100 nm et en moyennant le signal pendant 100 ms en chaque point. Les amplitudes de ∆T /T mesurées à la fréquence de modulation (f = 600 Hz) montrent un signal correspondant aux nano-sphères d’or3. L’amplitude du signal est voisine de 10−3 en accord avec celle calculée à
partir de l’équation III.74.
Cette technique permet d’analyser sur des nano-objets individuels l’impact de la réduction de la taille sur leurs propriétés optiques. Or, le confinement modifie également la dynamique ul- trarapide et les mécanismes de retour à l’équilibre d’un nano-système métallique. Dans la suite, je présente le montage que nous avons développé afin d’étudier spécifiquement la dynamique électronique et vibrationnelle ultrarapide de nano-objets individuels.
3. Afin de confirmer que les nanoparticules métalliques sont à l’origine des signaux détectés, on cartographie la même zone en changeant la longueur d’onde du faisceau laser.
4. Pour s’assurer que nous étudions des nanoparticules individuelles, nous avons réalisé des histogrammes des signaux. L’obtention d’une distribution monodisperse nous a permis de confirmer que les nanosphères sont isolées sur la surface.
Chapitre III. Spectroscopies optiques de nano-objets métalliques individuels : mise en Œuvre expérimentale